基于工作過程導(dǎo)向的中職PLC編程課程設(shè)計(jì)

李喜英

摘要：PLC是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)，當(dāng)下企業(yè)對PLC技術(shù)人員的需求在不斷增長，中職學(xué)校開設(shè)PLC編程課程的情況日漸普及。PLC課程具有難度，中職教學(xué)現(xiàn)狀不容樂觀。該文以國賽分布式光伏系統(tǒng)裝調(diào)與運(yùn)維工程為目標(biāo)，在課程特點(diǎn)與學(xué)情分析、課程設(shè)計(jì)方法適用性調(diào)研的基礎(chǔ)，基于工作導(dǎo)向確定PLC編程課程的工作過程、歸納PLC課程的行動(dòng)領(lǐng)域、實(shí)現(xiàn)課程方案設(shè)計(jì)，其中提出軟硬并進(jìn)的雙行動(dòng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)和一項(xiàng)五練、編程能力漸進(jìn)培養(yǎng)的思路，從而生成中職教學(xué)可行的PLC課程設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：PLC編程；分布式光伏系統(tǒng)；工作過程導(dǎo)向；課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G64? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）06-0141-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

PLC是工業(yè)自動(dòng)化方面的一項(xiàng)重要技術(shù)，幾乎覆蓋了所有工業(yè)控制系統(tǒng)。我國工業(yè)制造業(yè)正在進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，眾多企業(yè)迫切需要懂得PLC的技術(shù)型人才。為向企業(yè)的生產(chǎn)和服務(wù)崗位輸送高質(zhì)量的高技能工人和專業(yè)人員，中職學(xué)校的電子類專業(yè)開展PLC編程等課程是非常必要的。

面對職業(yè)學(xué)校的學(xué)情和企業(yè)對PLC技術(shù)人員的要求，合理進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、保證教學(xué)效果成為教師迫切關(guān)注的問題。文獻(xiàn)[1]指出在PLC教學(xué)中存在的理論脫離實(shí)踐、教學(xué)內(nèi)容脫離企業(yè)需求等弊端，文獻(xiàn)[2]提出PLC課程教學(xué)要高度對接企業(yè)需求觀點(diǎn)，文獻(xiàn)[3]提出PLC教學(xué)中應(yīng)以項(xiàng)目為主線組織、突出應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)的做法。

本文以全國職業(yè)院校技能大賽的“分布式光伏系統(tǒng)的裝調(diào)與運(yùn)維”賽項(xiàng)設(shè)置的工作過程為目標(biāo)，基于工作過程有效開展PLC編程課程的設(shè)計(jì)，并針對PLC編程的面向硬件和工作流程的特點(diǎn)給出學(xué)習(xí)活頁開發(fā)的設(shè)計(jì)思路，形成一個(gè)能帶動(dòng)學(xué)生手腦齊動(dòng)、做學(xué)合一的PLC編程課程方案。

1 PLC編程課程現(xiàn)狀

PLC可實(shí)現(xiàn)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)采集、聯(lián)網(wǎng)和通信等豐富的功能，指令集龐大，且品牌與型號(hào)多樣。PLC編程需要實(shí)現(xiàn)特定硬件系統(tǒng)的按特定機(jī)理作業(yè)的操控，程序邏輯復(fù)雜，且可采用梯形圖、ST指令、FBD＼LD等不同方式。

PLC編程課程內(nèi)容多、理論抽象，且要求學(xué)生具備一定的電器控制知識(shí)，而中職學(xué)校的學(xué)生基礎(chǔ)弱，認(rèn)知能力差，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，學(xué)習(xí)方法與習(xí)慣也令人擔(dān)憂。據(jù)調(diào)查，目前許多中職學(xué)校照搬高校教材，PLC課程內(nèi)容多、難度大；PLC教學(xué)中，老師多紙上談兵、傳統(tǒng)講授，極少能夠基于應(yīng)用系統(tǒng)教授學(xué)生進(jìn)行PLC面向硬件和應(yīng)用，難以培養(yǎng)PLC特有的編程思維。

雖然中職生有諸多不足，但他們動(dòng)作迅速，好帶動(dòng)，對熱愛的事情執(zhí)著，有良好的可塑性。

中職學(xué)校要有效開展PLC編程的教學(xué)，就要面對PLC的課程特點(diǎn)和中職生的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)適合中職生的崗位要求和工作內(nèi)容，精選內(nèi)容，科學(xué)規(guī)劃，進(jìn)行中職生能學(xué)會(huì)、愿意學(xué)的課程設(shè)計(jì)。

2 基于工作過程導(dǎo)向的課程設(shè)計(jì)

2.1 基于工作過程導(dǎo)向的課程設(shè)計(jì)

姜大源教授提出的基于工作過程導(dǎo)向的課程開發(fā)理念是職教界近年關(guān)注的熱點(diǎn)。工作過程是指在企業(yè)里為完成一個(gè)工作并獲得工作成果而進(jìn)行的完整的工作過程，是一個(gè)綜合的、時(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中但結(jié)構(gòu)相對固定的系統(tǒng)[4]。基于工作過程導(dǎo)向的課程設(shè)計(jì)注重理論知識(shí)的可操作性，注重知識(shí)在實(shí)踐中的落地，有效地處理了技能、知識(shí)、態(tài)度三個(gè)維度的關(guān)系，通過對象、內(nèi)容、手段、組織、產(chǎn)品、環(huán)境六要素刻畫項(xiàng)目的實(shí)踐特性。基于工作過程的教學(xué)理念在應(yīng)用的過程中強(qiáng)調(diào)將崗位工作和課程之間相互整合，構(gòu)建完善性的任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)踐模式、項(xiàng)目導(dǎo)向?qū)嵺`模式、課堂實(shí)踐模式、實(shí)習(xí)模式等，使學(xué)生按照崗位工作過程學(xué)習(xí)更多的技能[5]。

2.2 基于工作過程的課程設(shè)計(jì)適用于PLC編程課程

文獻(xiàn)[5-6]中介紹了選擇工作過程系統(tǒng)化方法進(jìn)行《Java程序設(shè)計(jì)》《VB6.0程序設(shè)計(jì)》的理由和開展課程設(shè)計(jì)方法?；诠ぷ鬟^程導(dǎo)向方法能夠賦予編程課程趣味性、可行性、挑戰(zhàn)性，使學(xué)生體驗(yàn)到真實(shí)的價(jià)值創(chuàng)造的成就感，展現(xiàn)其在編程課程設(shè)計(jì)中的適用性。面向分布式光伏電站的PLC電氣控制程序教學(xué)，以硬件平臺(tái)和具體工程為依托，能夠更好地組織PLC的安裝、工作原理、常用指令、編程方式等內(nèi)容的教學(xué)，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生PLC開發(fā)和實(shí)踐。因此以光伏工程建設(shè)為載體，采用基于工作過程的方式完成PLC編程課程設(shè)計(jì)是值得探究的一項(xiàng)課題。

3 基于工作過程導(dǎo)向的PLC課程設(shè)計(jì)

3.1 基于賽項(xiàng)內(nèi)容設(shè)計(jì)PLC課程的工作過程

全國職業(yè)院校技能大賽的“分布式光伏系統(tǒng)的裝調(diào)與運(yùn)維”賽項(xiàng)基于分布式光伏產(chǎn)業(yè)的形態(tài)、職業(yè)場景和崗位需求，系統(tǒng)涵蓋光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)過程中多項(xiàng)技能。本課程以大賽項(xiàng)目實(shí)施為目標(biāo)、以杭州瑞亞推出的分布式光伏發(fā)電為平臺(tái)，基于工作過程導(dǎo)向完成PLC編程課程的工作過程分析、行動(dòng)領(lǐng)域歸納和課程方案設(shè)計(jì)。

分布式光伏系統(tǒng)工作過程包含用戶管理、設(shè)備檢測、運(yùn)營管理、防災(zāi)容錯(cuò)以及與遠(yuǎn)程組態(tài)程序的交互，PLC程序設(shè)計(jì)用到軟元件，涵蓋觸點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備控制、通信與網(wǎng)絡(luò)、定時(shí)與計(jì)數(shù)、比較等大量指令，采用了子程序、FB塊甚至中斷調(diào)用等技術(shù)。

為充分重組PLC主要知識(shí)、充分遞進(jìn)式行動(dòng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)，以光伏系統(tǒng)建設(shè)為目標(biāo)，本課程精選出電站程序更新、數(shù)據(jù)采集與處理、光伏系統(tǒng)簡單鍵控、光伏組件發(fā)電控制、電站用電負(fù)載管控、電站輸電并網(wǎng)管理等六個(gè)工作過程。通過六個(gè)功能各異的、但又可合一體構(gòu)成完整光伏系統(tǒng)工作過程，使學(xué)生在一步步構(gòu)建起光伏系統(tǒng)、看到系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)成果的過程中，快速掌握PLC硬件構(gòu)成和安裝與調(diào)試，有序?qū)W習(xí)觸點(diǎn)、結(jié)合、輸出、定時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算、分支等各類指令，以程序調(diào)試維護(hù)的方式進(jìn)行子程序、FB塊及ST塊和梯形圖混合開發(fā)的程序設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)。關(guān)于六個(gè)工作過程的功能特點(diǎn)分析和PLC編程課程的重構(gòu)過程表1。

3.2 硬軟并進(jìn)設(shè)計(jì)PLC編程課程雙行動(dòng)領(lǐng)域

PLC編程的學(xué)習(xí)要本著面向?qū)Ｓ糜布到y(tǒng)的原則，面向光伏項(xiàng)目的PLC編程課程設(shè)計(jì)中每個(gè)工作過程中要本著軟件一體的原則，設(shè)置硬件和軟件兩個(gè)行動(dòng)領(lǐng)域。

課程的硬件行動(dòng)領(lǐng)域包含發(fā)電組件、逆變器、光伏控制器、負(fù)載、智能儀表、傳感器等硬件設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理、工作特性、訪問方式等基礎(chǔ)理論知識(shí)和光伏工程控制線路、數(shù)據(jù)采集總線、通信線路的連接施工。這一部分雖然不直接涉及編程內(nèi)容，但決定了能否對各部件實(shí)施PLC編程控制、能否寫出正確反映光伏發(fā)電系統(tǒng)工作過程的PLC控制程序。每個(gè)工作過程中以硬件行動(dòng)領(lǐng)域?yàn)橄葘?dǎo)，完成這一部分的教學(xué)是推進(jìn)軟件部分的前提。

課程的軟件行動(dòng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)以培養(yǎng)學(xué)生PLC程序閱讀、調(diào)試能力和開發(fā)能力為目標(biāo)，由淺入深、分步遞進(jìn)的原則以光伏系統(tǒng)的真實(shí)業(yè)務(wù)為主線，將PLC構(gòu)成和工作原理、程序框架、常用的指令、子程序及中斷等高級(jí)編程技術(shù)等PLC編程課程主體內(nèi)容有機(jī)分布到各個(gè)工作過程中。

初始硬件系統(tǒng)搭建后，若對程序功能造成限制則要進(jìn)行反復(fù)調(diào)整；程序?qū)懞煤螅粲布兏驍U(kuò)充，則程序還要進(jìn)行變動(dòng)調(diào)整。光伏系統(tǒng)建設(shè)過程中，軟件開發(fā)和硬件調(diào)裝是反復(fù)交錯(cuò)的。PLC編程課程中，軟硬一體、反復(fù)溝通是必要的，每個(gè)工作過程都包含以上兩種行動(dòng)領(lǐng)域。依據(jù)工作實(shí)施過程和功能完善的遞進(jìn)思路，表1 中給出了光伏系統(tǒng)中四個(gè)主體工作過程的行動(dòng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)。

3.3 PLC編程課程方案設(shè)計(jì)

浙江瑞亞能源科技有限公司推出的分布式光伏電站大賽設(shè)備設(shè)有監(jiān)控電站電能指標(biāo)的智能電表和電站現(xiàn)場的多種工作參數(shù)采集傳感器，支持分布式光伏+多元化的工作過程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電儲(chǔ)能、直流負(fù)載供電、離網(wǎng)逆變、交流供電、并網(wǎng)逆變、設(shè)備運(yùn)維以及PLC通信等豐富功能，也為基于工作過程開展PLC課程設(shè)計(jì)提供了充足的空間。

進(jìn)行PLC課程設(shè)計(jì)的行動(dòng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)時(shí)，本著夠用的原則精選優(yōu)選課程內(nèi)容，準(zhǔn)確細(xì)化行動(dòng)領(lǐng)域?yàn)榫唧w任務(wù)，明確每個(gè)教學(xué)單元的具體內(nèi)容，落實(shí)課程實(shí)施的具體方案。為在有限時(shí)間內(nèi)教會(huì)中職生解讀PLC程序、調(diào)試程序，甚至?xí)_發(fā)一定的實(shí)用程序，本課程在規(guī)劃教學(xué)課單元時(shí)以一項(xiàng)五練、編程能力漸進(jìn)培養(yǎng)的思路，完成每個(gè)教學(xué)單元的設(shè)計(jì)。表2為其中光伏系統(tǒng)簡單鍵控、光伏組件發(fā)電控制兩個(gè)教學(xué)單元的設(shè)計(jì)結(jié)果。

4 總結(jié)

PLC編程課程在中職學(xué)校日漸普及，但推進(jìn)仍有較大難度。本文在對PLC課程的特點(diǎn)和中職生學(xué)情分析的基礎(chǔ)上，確立了工作過程導(dǎo)向、面向以大賽項(xiàng)目實(shí)施的PLC編程課程設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用工作過程導(dǎo)向理論逐步完成工作過程、行動(dòng)領(lǐng)域歸納、課程方案的設(shè)計(jì)，完成一個(gè)以賽促教、適用中職學(xué)校的PLC編程課程方案。

經(jīng)過兩個(gè)學(xué)期的教學(xué)驗(yàn)證，基于工作過程導(dǎo)向設(shè)計(jì)PLC編程課程在夯實(shí)基礎(chǔ)、培養(yǎng)解讀程序和開發(fā)程序能力等方面取得良好的效果。但目前的課程各工作過程和單元粒度還存在大小不均，部分單元間銜接不夠順暢，內(nèi)容分配還需調(diào)整的弊端。這些不足有待在后繼的教學(xué)實(shí)踐中調(diào)整改進(jìn)。

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